1千克DNA存儲全世界

DNA的雙螺旋結構使其成為一種理想的存儲介質，但它還不能取代傳統的硬盤驅動器。 （資料圖/圖）

（本文首發于2019年7月4日《南方周末》）

DNA具有許多合適的特性，使其成為存儲海量信息的理想選擇。隨著測序技術的進步，研究人員開始使用 DNA作為分子記錄儀，來“讀”和“寫”信息。這一進展可能對加速藥物開發和治療疾病意義重大。

在人類發明硬盤的數十億年前，進化選擇了DNA來存儲最寶貴的信息——遺傳密碼。隨著時間推移，DNA變得非常擅長這項工作，成為了地球絕大多數生命的首選工具。最近的一些技術突破讓我們可以輕松“讀”、“寫”DNA，于是科學家正在重新利用這種古老的分子存儲新類型的信息——在大數據時代，人類以指數級速度生成的數據信息。

利用DNA來存儲遺傳密碼之外的信息，這一設想已經得到了廣泛的討論。畢竟，以1和0記錄計算機代碼的方式正在接近物理極限。要安全存儲我們生成的所有數據，需要克服許多難題。近日，其中一個問題重新映入人們的視野，曾經風行一時的社交媒體網站Myspace宣布，他們在服務器遷移過程中無可挽回地丟失了大約1年的數據。長期保存數據，例如一個休眠一段時間后重新啟動的網站中的數據，暴露了現有技術的脆弱和笨拙。而且這不僅僅是一個空間問題：維持數據存儲需要消耗大量的能量。

DNA的特性有望解決這些問題。一方面，DNA的雙螺旋結構非常適合數據存儲，因為知道一條單鏈的序列就會自動知道另一條單鏈的序列。另外，DNA也能長時間維持穩定，這意味著信息的完整性和準確性都可以得到保證。例如，2017年，科學家分析了從8100年前的人類遺骸內分離出來的DNA。而這些遺骸的保存環境甚至算不上理想，如果是干燥涼爽的環境，DNA可以保存數萬年之久。

不過，DNA雙螺旋最有吸引力的地方大概是它可以折疊成一個非常緊密的結構。每個人類細胞都包含一個直徑約0.00001米的細胞核，但如果把細胞核內的DNA伸展拉直，它將長達兩米。換句話說，如果將一個人的全部DNA串在一起，它將延伸至100萬億米。在2014年，科學家計算出1克DNA理論上可以存儲455EB（1018字節）的數據。這樣的信息存儲密度大約比硬盤中的物理存儲密度高出100萬倍。

雖然DNA通常被認為是一種存儲介質，但在取代傳統硬盤驅動器之前，它仍然有許多科學、經濟和倫理上的障礙需要克服。與此同時，DNA作為一種適用范圍更廣的信息技術已經得到了越來越多的應用。例如，一些經典的好萊塢電影已經從脆弱的膠片轉移到了遺傳密碼中。最近，DNA工具已被用來設計更安全的基因療法，加速抗癌藥物研發，甚至第一次“直播”活體生物內的遺傳活動。在這個不斷發展的領域的前沿，DNA不僅被用于長期存儲數據，還在以前所未有的速度促進數據生成。這是因為DNA在兩個方向上都要比其他分子更具可擴展性：它一方面能大幅增加我們獲得的數據量，另一方面又能縮減存儲數據所需的資源。

加速新藥物開發

近年來，科學家越來越多地用DNA作為分子記錄器，來理解和跟蹤他們的實驗結果。在多數情況下，這個過程都用到了DNA條形碼編碼：為了標記和跟蹤單個實驗的結果，科學家使用已知的DNA序列作為分子標簽。例如，一個實驗結果可以用DNA序列ACTATC標記，而另一個結果可以用TCTG